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ホーム > WEBマガジン SHINKAWA Times > コラム > 青木 徹/小池 昭史 > 半導体放射線検出器カドテルによるイノベーション No.1
掲載日:2014年05月13日

半導体放射線検出器カドテルによるイノベーション No.1

静岡大学 電子工学研究所

大学院情報学研究科

教授 青木 徹

 

株式会社ANSeeN

代表取締役 小池 昭史

 

はじめに

 

 福島原発事故以降、急に関心の高まった放射線検出器。本当は以前から環境モニター以外にも医療や非破壊検査、セキュリティー、高エネルギー物理学など幅広い分野で使われ研究開発されてきました。今回は、放射線検出器のうちで、とりわけ最近の半導体技術や情報処理技術の急速な進展で注目の高まっている半導体放射線検出器についてご紹介いたします。

 

カドテル ( $\ce{CdTe}$ : テルル化カドミウム ) とは

 

 いきなりですが小難しい物質名を突然出しました。$\ce{CdTe}$ 、ご存じでしょうか。テルル化カドミウム、日本では通称カドテルと呼ばれるこの物質はあまりメジャーではありませんのでご存じない方がほとんどだと思われます。II-VI 族化合物半導体で原子番号が $\ce{Cd:48}$ と $\ce{Te:52}$ という元素の周期表の右側の少し下の方の原子で構成されています。なんか聞いたことがあるな、という方もいらっしゃるかもしれません。実はこの $\ce{CdTe}$ は安価な太陽電池の材料として日本以外では広く用いられています。かなり大規模に開発されていますので $\ce{CdTe}$ をお聞きになった方の大部分はこの太陽電池材料として聞いたことがあるよ、というかと思われます。ウィキペディアなどでもほとんどこの太陽電池材料のことが記されています。

 

この $\ce{CdTe}$ のもうひとつの大きな用途が放射線の検出器です。ただ、これまでにも放射線検出器にはいろいろあったはずです。事故で一躍有名となったガイガーカウンターや、レントゲンでおなじみの $X$ 線フィルムをはじめたくさんの種類の放射線の検出器があります。ご存じの方は $\ce{CdTe}$ だって昔からあるよ、とおっしゃるかもしれません。では今なぜ $\ce{CdTe}$ なのでしょうか。必要とされるニーズと $\ce{CdTe}$ そのものの品質の向上、プロセスや信号処理技術の進展が追いついてきたのがその大きな理由です。

$\ce{CdTe}$ そのものについては(株)アクロラドの Webページ https://www.acrorad.co.jp/products/technology.html にわかりやすい解説がされています。

 

$\ce{CdTe}$ は $γ$ 線や $X$ 線の他に $α$ 線や $β$ 線の検出が可能で、最近では中性子も検出できるという報告があります。さらに $\ce{CdTe}$ は放射線を直接電気信号に変換できる直接変換型の放射線検出器です。シンチレーターという放射線を一旦可視光の光に変換し、この光を再度光検出器や CMOS カメラなどで電気信号に変換する間接変換型の放射線検出器が主流です。しかし、$\ce{CdTe}$ のような直接変換型の検出器では光の拡散や散乱、減衰に伴う検出感度の低下やエネルギー分解能の劣化、画像検出器の場合の画像の「ボケ」が原理的に発生しないという特徴があります。( 図 1 )

 

図1.シンチレーター型検出器(間接変換)と半導体検出器(直接変換)の違い

 

図 1. シンチレーター型検出器(間接変換)と半導体検出器(直接変換)の違い

 

放射線、とくに $γ$ 線や $X$ 線の検出にはこれらを検出器で止めて電気信号に変えるため吸収が大きいことが重要になります。$\ce{CdTe}$ は先に述べたとおり、大きな原子番号を持つことからストッピングパワーが大きい特徴があります。また、原子番号が大きい半導体材料はどうしてもバンドギャップが小さくなり、室温で動作する時の熱による雑音(不要な発生電子)が無視できないので、例えば食品の放射能検査で有名なゲルマニウム( $\ce{Ge}$ )半導体検出器は液体窒素( -196℃ )で冷却して使う必要があります。$\ce{CdTe}$ は II-VI 族化合物半導体でイオン結合性が強く大きな原子番号の割に比較的バンドギャップが大きい( 1.44eV )ため室温で動作可能という特徴があります。これは、実用的な応用を考えた時には非常に有利です。また、高い電子移動度を持ち、移動度寿命( $μτ$ )積が大きいことから放射線で発生した電子を正確に外部に取り出すことができます。$X$ 線や $γ$ 線の光子1つのエネルギーに比例した電子が発生するため、$X$ 線や $γ$ 線のエネルギーを知ることができますが、非常に分解能の良いスペクトルを取得することが可能となります。エネルギースペクトルは高エネルギー物理学の分野だけでなく、$X$ 線 $CT$ などの実用的な $X$ 線イメージング装置においても有用な情報であると非常に注目を集めています。( 図 2 )

 

図2.137Csと57Coのエネルギースペクトル。高いエネルギー分解能の例

 

図 2. 137Cs と 57Co のエネルギースペクトル。高いエネルギー分解能の例

 

さらに、室温動作が可能で体積あたりの感度が高く直接変換型であることから小型の検出器を作ることが可能という特徴も持ちます。また、ショットキーダイオード型構造や我々が報告している pin ダイオード型構造では非常に高いエネルギー分解能を持つこと、高解像度のピクセルの作成が出来ることも大きな特徴です。

 

良いことずくめに聞こえる $\ce{CdTe}$ ですが、実はこの利用にはこれまで大学の研究室にあるような非常に高度な放射線計測システムが不可欠で本来の特徴であるポータブル機器での利用はなかなかされてきませんでした。しかし、最近、半導体プロセス技術の進展や LSI 技術や信号処理アルゴリズムの進展で一気に身近なものとなってきました。さらにはフォトンカウンティングという、感度や検出器の入出力直線性が高く、またエネルギースペクトルを取得することのできる信号処理技術がデジタル信号処理技術の進展でぐっと手の届くところとなってきました。残すところは価格の問題ぐらいでしょうか。

 

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$X$ 線イメージングと $\ce{CdTe}$

 

 これまでに述べた直接変換であること、エネルギースペクトルを取得できることがこれまでの $X$ 線イメージング異なる大きな特徴となります。また、同じ $X$ 線でも高いエネルギーの $X$ 線に対して感度が高い点も重要な点です。

 

直接変換ですから多数のピクセルが並ぶ画像検出器においていわゆる「ぼけ」が原理的に発生せず、極めて切れの良い画像を得ることができます。これはシンチレーター型検出器で発生する可視光での散乱がないためです。

 

フォトンカウンティング信号処理回路を用いれば、非常に高いエネルギー分解能でエネルギースペクトルをピクセル毎に取得することもできます。これは現在研究開発が進展している最中ですが、これまで影絵であり白黒であった $X$ 線のイメージングを透過する物質を区別してカラー表現することが可能な新しい技術です。( 図 3 )

 

図3. エネルギー情報を用いて撮像した材料識別CT像の例

 

図 3. エネルギー情報を用いて撮像した材料識別 $CT$ 像の例

 

(注:信号の強度とエネルギーはどうしても混乱してしまいやすいですが、信号の強度は単位時間あたりの $X$ 線光子の入射数、エネルギーは $X$ 線の波長とご理解ください。$X$ 線は電磁波で広義の光ですので粒子性と波動性の両方を持ちますが、エネルギーが非常に高く(=波長が非常に短く)、このうちの粒子性が強く表れるため、一般的には波長でなくエネルギーという表現を用いることが多いです。)エネルギースペクトルをピクセル毎に取得するためにはピクセル毎にフォトンカウンティング信号処理回路を設けることが必要なため非常に大規模な信号処理回路と非常にバンド幅の広い信号伝送が必要ですが、必要な用途に特化したエネルギー帯に特化することや最新の高度集積回路技術を用いることなどで次第にこれらが可能となってきています。放射線検出器の分野ではこの「フォトンカウンティング型」は $X$ 線光子 1 つ 1 つのパルス信号を処理するため「パルスモード」と呼んだり、一般的な従来型の検出器を「積分型」とか「電流モード」と呼んだりもします。

 

さらに、より高いエネルギー帯での感度が高いことも特徴です。一般的に、$X$ 線は物体を透過する時に低いエネルギーから減衰しやすい特徴を持っています。すなわち被写体を透過した後の $X$ 線は低いエネルギー部分が多く被写体に削られて、見かけ上、エネルギーの高い部分が多く残ることが知られています。これをビームハードニングといいますが、これまでの検出器で $X$ 線の入射量と出力信号の直線性を損なう大きな原因となっていました。$\ce{CdTe}$ とフォトンカウンティングを組み合わせることで減衰量の少ない高いエネルギー活用することができ、広い範囲で高い直線性を得ることが出来ます。また、エネルギー情報の活用で $CT$ で発生するアーチファクトとよばれる線上のノイズを激減させることができます。さらに、原理的にフォトンカウンティングではノイズはエネルギー軸に発生するのみで、強度方向にはノイズが発生しないため(図 4 )、これまでに述べた $\ce{CdTe}$ 自体の感度の高さも非常に感度の高い撮像が可能となります。これまでまさに「桁違い」の感度が得られるとの報告もされています。( 図 5 、図 6 )

 

図4.蓄積型とフォトンカウンティング型のノイズの違い

 

図 4. 蓄積型とフォトンカウンティング型のノイズの違い

 

 

図5.フォトンカウンティング型検出器での超低被ばく撮像(150kVpp)

 

図 5. フォトンカウンティング型検出器での超低被ばく撮像( 150 kVpp )

 

 

図6.低線量でのノイズの増加の違い

 

図 6. 低線量でのノイズの増加の違い

 

 

もちろんフォトンカウンティングを用いない、いわゆる「蓄積型」の信号処理回路を用いた $\ce{CdTe}$ でも高い感度や切れの良い画像という特徴は持っています。信号処理や伝送がぐっと簡単になる蓄積型は、大ピクセル数の検出器や大型画像検出器( $X$ 線では実用上レンズが用いられないため光学系が等倍または拡大系となり大きな検出器は重要なのです)ではまだまだ使われますがここにおいても $\ce{CdTe}$ は活躍しています。先ほどから何度も述べているいわゆる「切れの良い」高いコントラストを持つ画像を得ることができることが特徴です。(図 7 )

 

図7.蓄積型CdTe検出器でのIC透過画像(100μmピッチ画素。異なった露出時間で撮像)

 

図 7. 蓄積型 $\ce{CdTe}$ 検出器での IC 透過画像( 100$μm$ ピッチ画素。異なった露出時間で撮像)

 

 

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まとめ

 

 今回は半導体の放射線検出器、特に $\ce{CdTe}$ 検出器とフォトンカウンティングについて紹介いたしました。放射線検出の中でも実用的に大きな意味を持つ「イメージング」においてこの組み合わせであるフォトンカウンティング型 $\ce{CdTe}$ 検出器が持つ大きな潜在能力をお感じいただけたかと思います。最後にこの $\ce{CdTe}$ のウェハや検出器は実用的には日本企業が大きな世界シェアを有しており、Made in Japan 検出器でイメージング装置やシステムまでを含めた全日本製のシステムを組み上げることが可能であることを紹介してまとめとしたいと思います。なお、放射線計測器全般に関しては多数の報告がされていますが、Glenn F. Knoll の「放射線計測ハンドブック」など良書が出ておりますのでそちらもあわせてご参照ください。

 

なお、世界的には $\ce{CdZnTe}$( $\ce{Cd}$ の一部を $\ce{Zn}$ におきかえたもの)が広く研究されていますが、これまでに述べた特徴の大部分は同じです。ただし、唯一工業的に高性能で均一な量産品が容易に入手可能であるという点で今回は特に $\ce{CdTe}$ を紹介させて頂きました。

 

 

 

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